J.U.C体系进阶（五）：juc-collections 集合框架

Java - J.U.C体系进阶

作者：Kerwin

邮箱：806857264@qq.com

说到做到，就是我的忍道！

juc-collections 集合框架

ConcurrentHashMap

ConcurrentHashMap 是线程安全的，用法和HashMap基本一致，原理部分可参考以下文章：

源码分析

ConcurrentSkipListSet

ConcurrentSkipListSet是对ConcurrentHashMap 的一个补充，有点像TreeMap，LinkedHashMap对HashMap的补充一样，注意的点如下：

ConcurrentSkipListSet俗称 “跳表”，数据结构如下：

每个节点有随机算法概率性的为链表加层(也可以理解为索引)，有参数约束了最大层的数量，因此在查询的时候就像是在跳跃一样，跳表的名称由此而来，这种数据结构实现远比红黑树简单，且查询修改删除的效率都较快

常用方法：

put，get，containsKey，containsValue,keySet等常用方法
还有如下：
firstKey()
lastKey()
firstEntry()
lastEntry()
subMap(fromKey, toKey)...

CopyOnWriteArrayList

大多数业务场景都是一种“读多写少”的情形，CopyOnWriteArrayList就是为适应这种场景而诞生的。

CopyOnWriteArrayList，运用了一种“写时复制”的思想。通俗的理解就是当我们需要修改（增/删/改）列表中的元素时，不直接进行修改，而是先将列表Copy，然后在新的副本上进行修改，修改完成之后，再将引用从原列表指向新列表。

这样做的好处是读/写是不会冲突的，可以并发进行，读操作还是在原列表，写操作在新列表。仅仅当有多个线程同时进行写操作时，才会进行同步

CopyOnWriteArrayList提供了三种不同的构造器 ：

• CopyOnWriteArrayList() 空构造器
• CopyOnWriteArrayList(Collection<? extends E> c) 集合构造器
• CopyOnWriteArrayList(E[] toCopyIn) 数组构造器

最终都是创建了一个CopyOnWriteArrayList集合

核心方法：

// get方法
public E get(int index) {
    return get(getArray(), index);
}

private E get(Object[] a, int index) {
    return (E) a[index];
}

// add方法
public boolean add(E e) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();     // 旧数组
        int len = elements.length;
        Object[] newElements = Arrays.copyOf(elements, len + 1);    // 复制并创建新数组
        newElements[len] = e;               // 将元素插入到新数组末尾
        setArray(newElements);              // 内部array引用指向新数组
        return true;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

// remove方法
public E remove(int index) {
    final ReentrantLock lock = this.lock;
    lock.lock();
    try {
        Object[] elements = getArray();
        int len = elements.length;
        E oldValue = get(elements, index);  // 获取旧数组中的元素, 用于返回
        int numMoved = len - index - 1;     // 需要移动多少个元素
        if (numMoved == 0)                  // index位置刚好是最后一个元素
            setArray(Arrays.copyOf(elements, len - 1));
        else {
            Object[] newElements = new Object[len - 1];
            System.arraycopy(elements, 0, newElements, 0, index);
            System.arraycopy(elements, index + 1, newElements, index, numMoved);
            setArray(newElements);
        }
        return oldValue;
    } finally {
        lock.unlock();
    }
}

1. 内存的使用

由于CopyOnWriteArrayList使用了“写时复制”，所以在进行写操作的时候，内存里会同时存在两个array数组，如果数组内存占用的太大，那么可能会造成频繁GC,所以CopyOnWriteArrayList并不适合大数据量的场景。

2. 数据一致性

CopyOnWriteArrayList只能保证数据的最终一致性，不能保证数据的实时一致性——读操作读到的数据只是一份快照。所以如果希望写入的数据可以立刻被读到，那CopyOnWriteArrayList并不适合。

ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque

ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque都是基于CAS操作的无锁，非阻塞队列，本文重点讲一下ConcurrentLinkedQueue的应用

当许多线程共享访问一个公共集合时，ConcurrentLinkedQueue 是一个恰当的选择

注意点如下：

• ConcurrentLinkedQueue 是无锁，但利用CAS操作保证线程安全的队列
• ConcurrentLinkedQueue 是无阻塞队列
• 适用场景：单生产者 ，多消费者 ，多生产者 ，多消费者 —> 即多消费者模式下适应ConcurrentLinkedQueue
• ConcurrentLinkedQueue 多用于消息队列

Demo如下：

// 我们假设有很多接口请求，有的正常，有的失败了，失败了一定要打日志，但是打日志又涉及到流，较为耗时，所以我们可以把code码标识为错误的信息拿出来，塞到队列里，然后另起一定的线程去专门打印日志，场景可能不对，但就是这个意思，或者处理订单等等，一个道理
public class TestConcurrentLinkedQueue {

	private static Integer totalSize = 500;
	private static ConcurrentLinkedQueue<String> lQueue = new ConcurrentLinkedQueue<String>();
	private static CountDownLatch latch = new CountDownLatch(totalSize);
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		for (int i = 0; i < totalSize; i++) {
			final int k = i;
			new Thread(new Runnable() {
				@Override
				public void run() {
					latch.countDown();
					int num = (int) (Math.random() * 10);
					if (num < 5) {
						lQueue.offer("mytest-" + num);
					}
				}
			}).start();
		}

		latch.await();

		while (true) {
			System.out.println(lQueue.poll());
			Thread.sleep(50);
		}
	}
}

// 核心方法：
offer 入队 --- 如果队列满了，返回false
poll  出队 --- 如果队列为null，返回null

注意点：

• offer,poll方法都保证了原子性，所以是线程安全的
• if (!lQueue.isEmpty) {lQueue.poll…}, 先判断集合是否为空再去取，无法保证其原子性
• size方法会遍历整个集合，所以要用也是用isEmpty来判断大小等，size方法耗时会非常久
• 上述处理线程可以配合定时线程池，考虑业务场景，隔一段时间再处理，避免资源浪费

BlockingQueue

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BlockingQueue是一个阻塞队列接口，下面是具体的实现

• 单生产者，单消费者 用 LinkedBlockingqueue
• 多生产者，单消费者 用 LinkedBlockingqueue
• 单生产者 ，多消费者 用 ConcurrentLinkedQueue
• 多生产者 ，多消费者 用 ConcurrentLinkedQueue

BlockingQueue是阻塞队列，适用于任务队列，由一个线程去处理数据等等，比如发快递，有很多人发快递，但是快递员只有一个，如果没活干，快递员就等着，如果有活，就开干

核心方法：

public interface BlockingQueue<E> extends Queue<E> {

    //将给定元素设置到队列中，如果设置成功返回true, 否则返回false。如果是往限定了长度的队列中设置值，推荐使用offer()方法。
    boolean add(E e);

    //将给定的元素设置到队列中，如果设置成功返回true, 否则返回false. e的值不能为空，否则抛出空指针异常。
    boolean offer(E e);

    //将元素设置到队列中，如果队列中没有多余的空间，该方法会一直阻塞，直到队列中有多余的空间。
    void put(E e) throws InterruptedException;

    //将给定元素在给定的时间内设置到队列中，如果设置成功返回true, 否则返回false.
    boolean offer(E e, long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;

    //从队列中获取值，如果队列中没有值，线程会一直阻塞，直到队列中有值，并且该方法取得了该值。
    E take() throws InterruptedException;

    //在给定的时间里，从队列中获取值，时间到了直接调用普通的poll方法，为null则直接返回null。
    E poll(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException;

    //获取队列中剩余的空间。
    int remainingCapacity();

    //从队列中移除指定的值。
    boolean remove(Object o);

    //判断队列中是否拥有该值。
    public boolean contains(Object o);

    //将队列中值，全部移除，并发设置到给定的集合中。
    int drainTo(Collection<? super E> c);

    //指定最多数量限制将队列中值，全部移除，并发设置到给定的集合中。
    int drainTo(Collection<? super E> c, int maxElements);
}

注意:

BlockingQueue在使用的时候不要去进行各种是否为空，或者满了等等的判断，另外这是阻塞队列，凡是涉及到前台页面交互的，需要快点得到结果的都不应该直接使用阻塞队列，否则会导致假死的情况

ArrayBlockingQueue

ArrayBlockingQueue利用了ReentrantLock来保证线程的安全性，针对队列的修改都需要加全局锁。在一般的应用场景下已经足够。对于超高并发的环境，由于生产者-消息者共用一把锁，可能出现性能瓶颈

ArrayBlockingQueue维护了一把全局锁，无论是出队还是入队，都共用这把锁，这就导致任一时间点只有一个线程能够执行。那么对于“生产者-消费者”模式来说，意味着生产者和消费者不能并发执行

构造方法:

构造方法
public ArrayBlockingQueue(int capacity)	构造指定大小的有界队列
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair)	构造指定大小的有界队列，指定为公平或非公平锁
public ArrayBlockingQueue(int capacity, boolean fair, Collection<? extends E> c)	构造指定大小的有界队列，指定为公平或非公平锁，指定在初始化时加入一个集合

LinkedBlockingQueue

LinkedBlockingQueue是一种近似有界阻塞队列，为什么说近似？因为LinkedBlockingQueue既可以在初始构造时就指定队列的容量，也可以不指定，如果不指定，那么它的容量大小默认为Integer.MAX_VALUE。

LinkedBlockingQueue除了底层数据结构（单链表）与ArrayBlockingQueue不同外，另外一个特点就是：

它维护了两把锁——takeLock和putLock。

takeLock用于控制出队的并发，putLock用于入队的并发。这也就意味着，同一时刻，只能只有一个线程能执行入队/出队操作，其余入队/出队线程会被阻塞；但是，入队和出队之间可以并发执行，即同一时刻，可以同时有一个线程进行入队，另一个线程进行出队，这样就可以提升吞吐量

基本方法和上文一致，只不过内部实现不一样而已

PriorityBlockingQueue

PriorityBlockingQueue是一种无界阻塞队列，在构造的时候可以指定队列的初始容量。具有如下特点：

1. PriorityBlockingQueue与之前介绍的阻塞队列最大的不同之处就是：它是一种优先级队列，也就是说元素并不是以FIFO的方式出/入队，而是以按照权重大小的顺序出队；
2. PriorityBlockingQueue是真正的无界队列（仅受内存大小限制），它不像ArrayBlockingQueue那样构造时必须指定最大容量，也不像LinkedBlockingQueue默认最大容量为Integer.MAX_VALUE；
3. 由于PriorityBlockingQueue是按照元素的权重进入排序，所以队列中的元素必须是可以比较的，也就是说元素必须实现Comparable接口；
4. 由于PriorityBlockingQueue无界队列，所以插入元素永远不会阻塞线程；
5. PriorityBlockingQueue底层是一种基于数组实现的堆结构。

核心方法基本一致，重点在于其使用场景，即有优先级的阻塞队列，可以用作，会员特权场景? 嘻嘻

SynchronousQueue

Java 6的并发编程包中的SynchronousQueue是一个没有数据缓冲的BlockingQueue，生产者线程对其的插入操作put必须等待消费者的移除操作take，反过来也一样。

不像ArrayBlockingQueue或LinkedListBlockingQueue，SynchronousQueue内部并没有数据缓存空间，你不能调用peek()方法来看队列中是否有数据元素，因为数据元素只有当你试着取走的时候才可能存在，不取走而只想偷窥一下是不行的，当然遍历这个队列的操作也是不允许的。队列头元素是第一个排队要插入数据的线程，而不是要交换的数据。数据是在配对的生产者和消费者线程之间直接传递的，并不会将数据缓冲数据到队列中。可以这样来理解：生产者和消费者互相等待对方，握手，然后一起离开。

特点：

1. 不能在同步队列上进行 peek，因为仅在试图要取得元素时，该元素才存在；
2. 除非另一个线程试图移除某个元素，否则也不能（使用任何方法）添加元素;也不能迭代队列，因为其中没有元素可用于迭代。队列的头是尝试添加到队列中的首个已排队线程元素； 如果没有已排队线程，则不添加元素并且头为 null。
3. 对于其他 Collection 方法（例如 contains），SynchronousQueue 作为一个空集合。此队列不允许 null 元素。
4. 它非常适合于传递性设计，在这种设计中，在一个线程中运行的对象要将某些信息、事件或任务传递给在另一个线程中运行的对象，它就必须与该对象同步。
5. 对于正在等待的生产者和使用者线程而言，此类支持可选的公平排序策略。默认情况下不保证这种排序。 但是，使用公平设置为 true 所构造的队列可保证线程以 FIFO 的顺序进行访问。 公平通常会降低吞吐量，但是可以减小可变性并避免得不到服务。
6. SynchronousQueue的以下方法：
   • iterator() 永远返回空，因为里面没东西
   • peek() 永远返回null
   • put() 往queue放进去一个element以后就一直wait直到有其他thread进来把这个element取走
   • offer() 往queue里放一个element后立即返回，如果碰巧这个element被另一个thread取走了，offer方法返回true，认为offer成功；否则返回false
   • offer(2000, TimeUnit.SECONDS) 往queue里放一个element但是等待指定的时间后才返回，返回的逻辑和offer()方法一样
   • take() 取出并且remove掉queue里的element（认为是在queue里的。。。），取不到东西他会一直等。
   • poll() 取出并且remove掉queue里的element（认为是在queue里的。。。），只有到碰巧另外一个线程正在往queue里offer数据或者put数据的时候，该方法才会取到东西。否则立即返回null
   • poll(2000, TimeUnit.SECONDS) 等待指定的时间然后取出并且remove掉queue里的element,其实就是再等其他的thread来往里塞
   • isEmpty()永远是true
   • remainingCapacity() 永远是0
   • remove()和removeAll() 永远是false

SynchronousQueue 内部没有容量，但是由于一个插入操作总是对应一个移除操作，反过来同样需要满足。那么一个元素就不会再SynchronousQueue 里面长时间停留，一旦有了插入线程和移除线程，元素很快就从插入线程移交给移除线程。也就是说这更像是一种信道（管道），资源从一个方向快速传递到另一方 向。显然这是一种快速传递元素的方式，也就是说在这种情况下元素总是以最快的方式从插入着（生产者）传递给移除着（消费者），这在多任务队列中是最快处理任务的方式。在线程池里的一个典型应用是Executors.newCachedThreadPool()就使用了SynchronousQueue，这个线程池根据需要（新任务到来时）创建新的线程，如果有空闲线程则会重复使用，线程空闲了60秒后会被回收

所以总结就是，一般情况用不到，必要的时候再去研究就好